基於仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法
2023-05-07 20:37:21 1
專利名稱：基於仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法
技術領域：
本發明涉及一種基於三維溫度場仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法，屬電機溫度保護技術領域。
背景技術：
由於堵轉、過載、斷相、三相不平衡、過電壓、欠電壓、風扇損壞等故障將造成電動 機熱損壞，溫度是影響電機壽命的主要因素，也是制約電機長期過載運行能力的主要因素。 電動機故障熱損壞造成巨大的經濟損失，準確掌握各種運行負載情況下電機三維溫度分 布及溫度變化規律是電機設計特別是電機保護研究的重要內容，不但可以為電機優化設計 提供指導，而且可以為電機保護提供依據，
但是如果要了解掌握各種運行負載情況下電機溫度分布及溫度變化規律，必須進行大 量長時間的、各種類型與參數負載下運行的實際測試，不僅消耗大量人力物力，而且不可能 進行全面的各種類型故障各種運行狀態下的三維溫度場分布的測試，這就是長期以來人們 無法也沒有對電機運行三維溫度場的實際溫度分布進行大量測試的原因，由於電機熱特性 與熱參數的複雜性，人們只有依靠許多經驗數據或很大範圍內理論參數的粗略選擇進行建 立溫度場的仿真模型研究，並採用簡單負載下實際溫度分布進行驗證的工作，比如夏正澤 等在《微特電機》2009年第4期發表的論文「異步牽引電動機定子溫度場的計算與分析」 介紹了二維定子溫度場仿真模型在空載與額定負載下溫度場並進行實驗對比，王豔武等在 《中國電機工程學報》2009年第24期發表的論文「異步電動機定子繞組匝間短路三維溫度 場計算與分析」介紹了三維定子溫度場仿真模型並以空載下電機表面溫度實測進行對比， 但是這些研究都僅僅是進行建立三維定子溫度場仿真模型的研究，這些模型都沒有經過三 維溫度場實際溫度分布的驗證，更沒有在各種負載條件下實際溫度分布的驗證，而實際負 載比如空載與額定負載長期連續運行、各種過載運行、循環負載、三相不平衡負載、斷相、變 化負載等遠遠不是現有仿真模型研究過的內容，因此這些模型的準確性無法確定，只能是 處於研究之中，特別是至今沒有人提出將這些模型應用於電機各種負載下溫度分布的虛擬 測試的思路與方案，或者說目前人們的研究不可能也沒有將模型應用於虛擬測試。此外，目前進行電動機三維定子溫度場仿真模型的研究全部都在電機研究設計領 域，在電機領域或行業進行仿真模型研究的目的是針對電動機設計，而電動機保護研究主 要是電器領域或行業，或者說電動機熱保護技術、保護裝置、保護器等研究製造都屬電器領 域或行業，然而電器領域與行業的人員沒有進行電動機溫度場仿真模型的研究，這是目前 電動機保護研究的現狀。本課題組研究方向的重點是電器智能化研究，成員中有電器研究人員也有電機研 究人員，我們考慮到必須對電動機溫度場的實際分布情況有深入地了解才能實現準確地保 護，因此我們開始對型號為Y100L2-4，額定功率為3kW的籠型轉子感應電動機各部位埋設 了 64個溫度傳感器，實際測試了各種代表性運行狀態下的溫度分布，從而進行了大量實際 測試，掌握了一手資料，進而在這些基礎上建立了準確的三維定子溫度場仿真模型，由於仿真模型以實際測試為基礎確定各種熱參數，因此，仿真模型準確地實現各種故障與運行狀 態下溫度分布，了解到電動機溫度分布與變化規律，為實現電動機熱保護奠定基礎，本來研 究工作到此可以結束，但是擺在面前的問題是我們了解了溫度分布情況，其他研究人員又 如何能了解、應用這項成果，而且如果換一種型號或規格的電動機，用戶同樣無法了解其溫 度分布規律，因此本課題組產生了在電動機保護或電動機研究領域均未提出過的應用本課 題組已經完成的三維定子溫度場仿真模型進行虛擬測試並具通用性的思路，並且完善虛擬 測試方法與界面，解決了各種異步電動機無法進行各種故障與運行狀態下溫度分布實際測 試的問題，使三維定子溫度場仿真模型獲得新的更大的工程應用。舉例說明，除了必須在電 動機製造過程在電動機內埋設大量傳感器並研製測試裝置等大量工作外，如果進行一項穩 定負載運行的實際溫度分布測試，必須花費7-8小時，溫度才能穩定，然而應用本發明只在 被試電機端部方便地膠上1-3個傳感器進行一次簡單測試建立準確的仿真模型即可，而無 須在製造過程進行，在建立仿真模型後卻只需要2-3分鐘就完成上述需要花費7-8小時才 能完成的一項穩定負載運行的實際溫度分布測試，更何況從此可以方便地進行各種任意故 障與運行狀態下溫度分布測試。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提出了一種基於三維溫度場仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法，實現了電機運行三維溫度場分布的虛擬測試。為實現上述目的，本發明方法的特徵在於步驟如下
步驟1 安裝基於三維溫度場仿真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序； 步驟2 實際測試環境溫度與定子繞組電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度； 步驟3 根據被測試電機的要求將結構尺寸、材料特性參數、實測環境溫度與定子繞組 電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度輸入到基於三維溫度場仿真軟體建立參數化電 機三維溫度場建模程序的結構尺寸和材料特性參數輸入界面，建立準確的被試電機定子三 維溫度場仿真模型；
步驟4 根據測試的需要輸入負載的類型、電機三相電流、環境溫度、電源電壓參數到 被試電機定子三維溫度場仿真模型的溫度分布測試界面，在溫度分布測試界面選擇需要進 行溫度分布狀況測試的電動機部件；
步驟5 運行被試電機定子三維溫度場仿真模型的程序；
步驟6 讀取、列印需要進行溫度分布狀況測試的電動機部件的溫度變化曲線和三維 溫度分布結果。所述基於三維溫度場仿真軟體是ANSYS仿真軟體或ANSOFT仿真軟體。本發明的有益效果是本發明的基於三維溫度場仿真模型的電機運行三維溫度場 分布的虛擬測試方法，可實現包括故障在內的各種運行狀態下電機穩態溫度分布及瞬態溫 度變化的虛擬測量，可以給出電機內部任意位置的溫度值及不同時刻電機各部位的溫度分 布圖，實現電機運行三維溫度場分布的虛擬測試，節省大量實際測試消耗的人力物力與時 間，使用方便，不僅可以應用於異步電動機設計，而且可以應用於異步電動機保護。
圖1是本發明建立溫度場模型界面的示意圖。圖2是本發明溫度測試界面示意圖。
具體實施例方式由於電機熱特性與熱參數的複雜性，只有通過必要的實際測試確定相關熱特性與 熱參數後建立的三維溫度場仿真模型才是準確的，本發明在對異步電動機三維溫度分布進 行必要的實際測試的基礎上建立了基於三維溫度場仿真軟體的參數化電機三維溫度場建 模程序；異步電動機三維溫度分布大量實際測試表明，異步電動機最高溫度區是定子繞組 電動機傳動側端部靠近接線盒處，根據被測試電機的要求輸入結構尺寸、材料特性參數、實 測的環境溫度與定子繞組電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度到基於三維溫度場仿 真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序的結構尺寸和材料特性參數輸入界面，建立準 確的被試電機定子三維溫度場仿真模型，確定了異步電動機的相關熱參數，從而通過簡單 容易的測試在上述基於三維溫度場仿真軟體的參數化電機三維溫度場建模程序的基礎上 建立準確的被試電機定子三維溫度場仿真模型；再根據測試的需要輸入負載的類型、電機 三相電流、環境溫度、電源電壓等參數到被試電機定子三維溫度場仿真模型的溫度分布測 試界面，在溫度分布測試界面選擇需要進行溫度分布狀況虛擬測試的電動機部件；運行被 試電機定子三維溫度場仿真模型的程序；讀取、列印需要進行溫度分布狀況測試的電動機 部件的溫度變化曲線和三維溫度分布結果，可實現包括故障在內的各種運行狀態下電機穩 態溫度分布及瞬態溫度變化的虛擬測量，可以給出電機內部任意位置的溫度值及不同時刻 電機各部位的溫度分布圖，實現電機運行三維溫度場分布的虛擬測試，節省大量實際測試 消耗的人力物力與時間，使用方便，不僅可以應用於異步電動機設計，而且可以應用於異步 電動機保護。這裡以ANSYS仿真軟體為例，為了讓一般技術人員能充分的理解本發明，這裡介 紹下基於ANSYS仿真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序的理論基礎
對於各向異性介質，直角坐標下的三維導熱偏微分方程為[1]
3 ,，3Γ% 3 ,，3Γ、 3,, 3Γ、3Γ 7 χ
-T-J ++=(1)
3x dx ψ ψ
式中，T為物體的溫度；t為時間；kx、ky、kz分別為x、y、z方向的導熱係數；P為材料 的密度；c為材料的比熱；qv為熱源的發熱密度。對於穩態溫度場，溫度T不隨時間t變化，式(1)中dl/dt=0 ，考慮到邊界條件，對導熱微分方程的求解可以歸為一個邊值問題formula see original document page 6
式中Sl為第一類邊界條件的物體邊界，TO為已知邊界面的溫度；k2為第二類邊界條件 垂直於界面S2的熱傳導率；q為通過界面S2的熱流密度；k3為第三類邊界條件垂直於界面 S3的熱傳導率，Tf為在界面S3與物體接觸的冷卻介質的溫度，α為在界面S3與物體接觸 的冷卻介質的換熱係數。對應於式(2)的等價變分為formula see original document page 6
式中，V表示求解域。當泛函取極值，即耵/OT=O時，可得單元矩陣方程 KT=F(4)
式中，T為求解域內全部節點溫度所形成的溫度列陣；K和F分別為總體系數矩陣和總 體右端列矢量。再將邊界條件代入上式修改，獲得一個線性方程組，解此方程組即可得到各 個節點的溫度值。因此，本實施例子可採用以下步驟實現
步驟1 安裝基於ANSYS仿真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序； 步驟2 以型號為Y100L2-4，額定功率為3kW的籠型轉子感應電動機為例，實際測試環 境溫度與定子繞組傳動側端部穩態溫度，實際測試環境溫度為20°C，穩態溫度為110°C ；
步驟3 根據被測試電機的要求將結構尺寸、材料特性參數、實測環境溫度與定子繞組 電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度輸入到基於三維溫度場仿真軟體建立參數化電 機三維溫度場建模程序的結構尺寸和材料特性參數輸入界面(如圖1所示)，建立準確的被 試電機定子三維溫度場仿真模型；
步驟4 根據測試的需要輸入負載的類型、電機三相電流、環境溫度、電源電壓參數到 被試電機定子三維溫度場仿真模型的溫度分布測試界面(請參見圖2)，在溫度分布測試界 面選擇需要進行溫度分布狀況測試的電動機部件；
步驟5 運行被試電機定子三維溫度場仿真模型的程序；
步驟6 讀取、列印電機定子繞組的溫度變化曲線和三維溫度分布結果。值得一提的是，上述的仿真軟體也可以是ANSOFT仿真軟體，以上所述僅為本發明的 較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
一種基於仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法，其特徵在於包括如下步驟步驟1安裝基於三維溫度場仿真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序；步驟2實際測試環境溫度與定子繞組電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度；步驟3根據被測試電機的要求將結構尺寸、材料特性參數、實測環境溫度與定子繞組電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度輸入到基於三維溫度場仿真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序的結構尺寸和材料特性參數輸入界面，建立準確的被試電機定子三維溫度場仿真模型；步驟4根據測試的需要輸入負載的類型、電機三相電流、環境溫度、電源電壓參數到被試電機定子三維溫度場仿真模型的溫度分布測試界面，在溫度分布測試界面選擇需要進行溫度分布狀況測試的電動機部件；步驟5運行被試電機定子三維溫度場仿真模型的程序；步驟6讀取、列印需要進行溫度分布狀況測試的電動機部件的溫度變化曲線和三維溫度分布結果。
2.根據權利要求1所述的基於仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法， 其特徵在於所述基於三維溫度場仿真軟體是ANSYS仿真軟體或ANSOFT仿真軟體。
全文摘要
本發明涉及一種基於三維溫度場仿真模型的電機運行三維溫度場分布的虛擬測試方法，其首先安裝基於三維溫度場仿真軟體建立參數化電機三維溫度場建模程序；實際測試環境溫度與定子繞組電動機傳動側端部靠近接線盒處穩態溫度；建立準確的被試電機定子三維溫度場仿真模型；利用該模型對電機運行三維溫度場分布的虛擬測試，實現包括故障在內的各種運行狀態下電機穩態溫度分布及瞬態溫度變化的虛擬測量，可以給出電機內部任意位置的溫度值及不同時刻電機各部位的溫度分布圖，實現電機運行三維溫度場分布的虛擬測試，節省大量實際測試消耗的人力物力與時間，使用方便，不僅可以應用於異步電動機設計，而且可以應用於異步電動機保護。
文檔編號G06F17/50GK101806642SQ20101014265
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者劉向軍, 張培銘, 楊明發, 江和 申請人:福州大學